Elektrizität. 2Berichte der Abteilungen. Abteilung

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1 2Berichte der Abteilungen Abteilung

2 Elektrische Größen treten in nahezu allen Bereichen des Messwesens auf. Aufgabe der Abteilung Elektrizität ist die Darstellung und Weitergabe der elektrischen und magnetischen Einheiten. Dazu führt die Abteilung Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der elektrischen Präzisionsmesstechnik durch. Grundlage für diese Arbeiten ist eine auf die Erfordernisse der elektrischen Quantenmetrologie zugeschnittene Nanotechnologie für die In-House-Fertigung von Supraleiter- und Halbleiter-Quantennormalen. Die fachlichen Aufgaben werden in den sechs Fachbereichen Gleichstrom und Niederfrequenz, Hochfrequenz und Felder, Elektrische Energiemesstechnik, Quantenelektronik, Halbleiterphysik und Magnetismus und Elektrische Quantenmetrologie bearbeitet, in die sich die Abteilung gliedert. Wichtige metrologische Fragestellungen des Themenbereichs Elektrizität und Magnetismus erfordern einen fachbereichsübergreifenden Ansatz. Dazu gehören die Schwerpunktthemen Grundlagen der elektrischen Metrologie, Aufbau von Quanten- und klassischen Skalen für elektrische und magnetische Einheiten und Hochfrequenz- und Terahertz-Metrologie. Diese bilden zusammen mit den auf Fachbereichsebene bearbeiteten Themen Elektrische Energiemesstechnik und Metrologie für magnetische Nanostrukturen die fünf Schwerpunktthemen der gegenwärtigen Arbeiten. Zur effizienten Bearbeitung ihrer Forschungsund Entwicklungsaufgaben kooperiert die Abteilung intensiv mit anderen nationalen metrologischen Instituten im Rahmen des von der EU geförderten European Metrology Research Programme (EMRP). Dessen erste Phase ime- RA-plus mit einem gesonderten Unterprogramm für den Themenbereich Elektrizität und Titelbild: Integrierte Quantenschaltungen für die elektrische Quantenmetrologie. Oben: Reihenschaltung aus vier Halbleiter-Einzelelektronenpumpen und drei Ladungsinseln, deren Ladungszustand von Einzelelektronen-Elektrometern überwacht wird. Unten: Reihenschaltung aus vier metallischen Einzelelektronenquellen und drei Ladungsinseln mit Einzelelektronen-Elektrometern. Magnetismus ist im Berichtsjahr ausgelaufen. Die Abteilung hat die öffentliche Informationsveranstaltung über die Ergebnisse der Projekte zu Themen der elektrischen Quantenmetrologie im Mai 2011 im Institut Berlin der PTB organisiert. Die Veranstaltung erfreute sich des regen Interesses von Vertretern europäischer und außereuropäischer nationaler metrologischer Institute, von Universitäten und der Industrie (Bild 1). Für den Themenbereich Elektrizität und Magnetismus stellt das imeraplus-programm einen gelungenen Auftakt der vertieften Zusammenarbeit der europäischen nationalen metrologischen Institute dar. Das Programm hat die fachliche Arbeit der Abteilung nachhaltig gefördert. Die wichtigsten Ergebnisse der fachlichen Arbeit im Berichtsjahr werden im Folgenden, gegliedert nach den fünf Schwerpunktthemen, detaillierter beschrieben. Grundlagen der elektrischen Metrologie In der elektrischen Metrologie werden der Josephson- und der Quanten-Hall-Effekt genutzt, um mit höchster Präzision die Einheiten der elektrischen Spannung, des Widerstands und der Kapazität zu reproduzieren. Eine Kernaufgabe im Arbeitsgebiet Grundlagen der elektrischen Metrologie ist die Überprüfung der Beschreibung dieser Quanteneffekte durch die Elementarladung und die Planck-Konstante. Dazu dient ein als quantenmetrologisches Dreieck bekannter Konsistenztest. Die PTB arbeitet seit einigen Jahren an der Variante des quantenmetrologischen Dreiecks, bei der die Ladung, die elektrische Spannung und die auf den Quanten-Hall-Effekt rückgeführte Kapazität verknüpft werden (Bild 2). Im Berichtsjahr konnte in der PTB erstmals ein kompletter Durchlauf des komplexen Experiments abgeschlossen werden. Die Auswertung ergab keine Abweichungen von der heutigen Beschreibung der Quanteneffekte bei einer Unsicherheit von 1, Das Experiment wurde vom nationalen metrologischen Institut der USA (NIST) mit einer Unsicherheit von 0, durchgeführt. Da das Experiment der PTB noch verbessert werden kann, bestehen gute Aussichten, diese Bestmarke des NIST zu übertreffen und damit einen nachhaltigen Beitrag zur Validierung der Grundlagen der elektrischen Metrologie zu leisten. Zur Umsetzung der von der Meterkonvention geplanten Neudefinition des Ampere durch die Festlegung der Elementarladung entwickelt die 56

3 Bild 1: Teilnehmer des Joint imera-plus Dissemination Meeting and EURAMET Expert Meeting on Quantum Electrical Metrology vor dem Helmholtz-Bau der PTB Berlin Abteilung Quanten-Stromquellen auf der Basis von Halbleiter-Einzelelektronenpumpen und metallischen Einzelelektronenquellen. In diesen nanoelektronischen Schaltungen wird mit einer vorgegebenen Frequenz pro Zyklus eine feste Anzahl von Elementarladungen durch einen Leitungsquerschnitt transportiert. Um etwaige Transferfehler zu bestimmen, müssen die Stromquellen mit Einzelelektronen-Elektrometern auf einem Chip kombiniert werden. Man erhält so eine selbstreferenzierte Quanten- Stromquelle. Im Berichtsjahr wurde eine integrierte Quantenschaltung aus zwei Halbleiter- Einzelelektronenpumpen, einer Ladungsinsel und einem Ladungsdetektor gefertigt und untersucht (Bild 3). Die Ladungsdetektion führt zu Rückkopplungseffekten, die die Funktion der Einzelelektronenpumpen stabilisieren. Dies zeigt, dass ein stabiler Betrieb solcher integrierten Quantenschaltungen prinzipiell möglich ist. Komplexere integrierte Schaltungen aus mehreren Einzelelektronenquellen und -detektoren wurden kürzlich gefertigt (Titelbild) und werden intensiv untersucht. Die Integration verschiedener Quantenbauelemente auf einem Chip eröffnet neue Möglichkeiten in der elektrischen Quantenmetrologie. Im Berichtsjahr wurde, neben den Arbeiten zu den selbstreferenzierten Quanten-Stromquellen, eine Quanten-Spannungsquelle auf Halbleiterbasis demonstriert (siehe auch die Rubrik Nachrichten des Jahres ). Dazu wurde eine Halbleiter-Einzelelektronenpumpe mit einem Quanten-Hall-Widerstand in einer integrierten Halbleiter-Quantenschaltung kombiniert. Das Bauelement erzeugt quantisierte Spannungen von bis zu 10 µv. Die Ausgangsspannung lässt sich durch Parallelschaltung mehrerer Einzelelektronenpumpen sowie durch Serienschaltung mehrerer Quanten-Hall-Widerstände auf dem Halbleiterchip im Prinzip um bis zu einem Faktor 1000 erhöhen. Ein solches Bauelement würde On-Chip-Varianten des Experiments direktes quantenmetrologisches Dreieck ermöglichen, in dem die Quantennormale für Strom, Widerstand und Spannung verglichen werden. Bild 2: Schema des Konsistenztests quantenmetrologisches Dreieck in der Kapazität-Ladung- Spannung-Variante. Ein Kondensator der Kapazität C, rückgeführt auf den Quanten-Hall-Effekt, wird mittels einer Einzelelektronenpumpe hier dargestellt als Förderband mit einer genau bekannten Anzahl von Elektronen geladen. Die Ladung ΔQ baut eine Spannung ΔU zwischen den Kondensatorelektroden auf, welche rückgeführt auf den Josephson-Effekt gemessen wird. 57

4 Nutzung von Quantennormalen sollen die Kalibrierverfahren vereinfacht und eine Zeit- und Kostenersparnis erzielt werden. Bild 3: Schema (a) und Bild der Probe (b): Zwei Halbleiter-Einzelelektronenpumpen (P1 und P2), realisiert durch Metallelektroden (rot, grün) auf einem Halbleiterkanal (hellgrau), sind durch eine zwei Mikrometer große Insel verbunden. Unter der Insel ist ein Ladungsdetektor (Det) platziert, der die Ladung Q auf der Insel misst. Aufbau von Quanten- und klassischen Einheitenskalen Die Industrie benötigt Kalibrierungen von Messgeräten und Normalen für elektrische Größen in sich ständig erweiternden Werte- und Frequenzbereichen. Daher arbeitet die Abteilung an dem Ausbau der Skalenbereiche, über die die elektrischen Einheiten dargestellt und weitergegeben werden können. Dabei werden der Zeit- und der Kostenfaktor zunehmend wichtiger. Durch die vermehrte Im Berichtsjahr sind gute Fortschritte auf dem Gebiet der Technologie zur Herstellung von Josephson-Kontakten und bei der Nutzung von Josephson-Spannungsnormalen in der Wechselspannungsmesstechnik erzielt worden. Die in den letzten Jahren im Reinraumzentrum der PTB entwickelte Technologie zur Herstellung von SNS-Josephson-Kontakten (S: Supraleiter, N: Normalleiter) mit der Schichtfolge Nb/Nb x /Nb wird inzwischen für mehrere Anwendungen genutzt (Nb: Niob, Si: Silizium). Wesentliche Voraussetzung dafür war die erfolgreiche Optimierung von kritischer Stromdichte und charakteristischer Spannung der Josephson-Kontakte. Beide können weitgehend unabhängig voneinander durch die Schichtdicke und die Zusammensetzung der normalleitenden Barriere (Niob-Anteil: x) bei der Abscheidung der Dreifachschicht in einer speziellen Cluster-Beschichtungsanlage festgelegt werden. Mit dieser Technologie können inzwischen im Routinebetrieb programmierbare binäre 10-V-Josephson-Spannungsnormale für Wechselstromanwendungen bis zu etwa 1 khz mit einer guten Fertigungsausbeute hergestellt werden. Die Nb/Nb x /Nb-Technologie wurde auch für die Herstellung von pulsgetriebenen Josephson-Normalen optimiert, die den Frequenzbe- Bild 4: Frequenz- und Zeitdarstellung einer synthetisierten sinusförmigen Wechselspannung mit einer Frequenz von 3750 Hz, erzeugt mit einer pulsgetriebenen Josephson-Schaltung aus 2000 Kontakten mit Nb x -Barrieren. Die Pulsfolgefrequenz beträgt 15 GHz. 58

5 reich oberhalb von 1 khz für die Josephson-gestützte Wechselstrommesstechnik erschließen sollen. Bei einer im Vergleich zu früheren Schaltungen verdreifachten Pulsfolgefrequenz von 15 GHz konnten im Berichtszeitraum mit Schaltungen aus 2000 Josephson-Kontakten sinusförmige Spannungen mit reinen Spektren und Amplituden von 37 mv (Spitze zu Spitze) bei einer Frequenz von 3,75 khz erzeugt werden (Bild 4). Durch eine Optimierung der elektronischen Peripherie sollen Spannungen mit Amplituden von mehr als 100 mv erzeugt werden, sodass mit diesen Quantennormalen messtechnische Anwendungen realisiert werden können. Josephson-Kontakte sind das Herzstück von SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), mit denen Änderungen des magnetischen Flusses mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden können. Miniaturisierte SQUIDs, wegen ihrer kleinen Abmessungen als Nano-SQUIDs bezeichnet, zeigen deutlich verringertes Fluss-Rauschen und erlauben die Entwicklung höchstempfindlicher Magnetometer. Mit Hilfe der SNS-Technologie, hier mit normalleitenden Barrieren aus HfTi, ist es im Berichtszeitraum gelungen, Josephson- Kontakte mit Abmessungen von nur noch 90 nm und SQUID-Schleifen mit einer Größe von 150 nm herzustellen (Bild 5). Bei der Miniaturisierung wird ausgenutzt, dass bei Verwendung einer normalleitenden Barriere keine großvolumigen externen Widerstände erforderlich sind. Die Entwicklung neuer Kalibrierverfahren basierend auf Josephson-Spannungsnormalen konzentrierte sich im Berichtszeitraum auf Impedanzmessbrücken. Impedanzen Wechselstromwiderstände, Kapazitäten und Induktivitäten können mit konventionellen Messbrücken im Frequenzbereich von 500 Hz bis 10 khz mit einer sehr guten Messunsicherheit im Bereich 10 9 kalibriert werden. Dazu müssen die Brücken jedoch in einer aufwendigen Prozedur manuell für jede Frequenz neu abgeglichen werden. Mit der in der PTB neu entwickelten Josephson-Impedanzmessbrücke ist der Abgleich dagegen sehr einfach. Die Wechselspannungsamplituden von zwei programmierbaren binären Josephson-Schaltungen werden über ihre Mikrowellenfrequenz variiert, und die Phasenlage der synthetisierten Spannungen wird über eine Verzögerungselektronik mit einer Auflösung von 10 ps eingestellt (Bild 6). Beides geschieht vollautomatisch. Für 1:1-Verhältnisse von 10-kΩ-Widerständen oder 100-pF-Kondensatoren wurde die Leistungsfähigkeit des neuen Verfahrens überzeugend demonstriert. Ziel der zukünftigen Arbeiten ist der Ausbau zu einer Quadraturbrücke, die es erlaubt, Wechselstromwiderstände mit Kapazitäten zu vergleichen. Während sich die Impedanzmessung mit Hilfe von Josephson-Technologie noch im Entwicklungsstadium befindet, ist die Josephson-gestützte Spannungsmessung bereits reif für den Transfer in die Industrie. Im Berichtsjahr wurde ein durch das MNPQ-Transfer-Programm Bild 5: Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahmen einer Nano-SQUID-Schaltung. Die Josephson- Kontakte sind 90 nm groß, die SQUID-Schleife hat eine Größe von 150 nm. 59

6 Bild 6: Schematischer Aufbau der Josephson- Impedanzmessbrücke. Über die Variation der Mikrowellenfrequenzen ƒ 1 und ƒ 2 werden die Josephson-Spannungen eingestellt und die Brücke automatisch abgeglichen. (Messen, Normen, Prüfen, Qualitätssicherung) des Bundeswirtschaftsministeriums gefördertes Projekt begonnen, das zum Ziel hat, ein Josephson-Messsystem für Gleich- und Wechselspannungen für den Einsatz in industriellen Kalibrierlaboratorien weiterzuentwickeln. Das Messsystem wird für Spitzenspannungen bis ±10 V und Frequenzen bis 1 khz ausgelegt. Damit deckt es den Bereich kommerzieller Gleichspannungsreferenzen ab und bildet gleichzeitig eine Plattform für Wechselspannungs-Präzisionsmessungen. Für die Partner in der Industrie werden mit dem neuen System die Vorteile von Quantennormalen verfügbar: hervorragende Messunsicherheiten bei erhöhter Wirtschaftlichkeit durch den Wegfall aufwendiger Rekalibrierungen. Elektrische Energiemesstechnik Die Arbeiten im Schwerpunktgebiet Elektrische Energiemesstechnik haben zum Ziel, die metrologischen Grundlagen für die Energieversorgungsmesstechnik auszubauen. Dies umfasst die Darstellung der elektrischen Leistung über weite Bereiche von Strom und Spannung, die Erfassung von Netzstörungen, die Rückführung der Messung von Verlusten beim Energietransport und die Messtechnik für die korrekte Abrechnung der von den Verbrauchern bezogenen elektrischen Energie. Im Berichtsjahr wurde das Primärnormal der PTB für die elektrische Leistung für Stromstärken bis zu 160 A erweitert. Zur Erfassung von Netzstörungen, die aufgrund der Zunahme von nichtlinearen Lasten und der steigenden Anzahl regenerativer Energiequellen in den Versorgungsnetzen vermehrt auftreten, wurde ein vielseitig einsetzbares digitales Abtastsystem entwickelt, das über eine hohe Linearität verfügt (Bild 7). Derartige Digitalisierer sind das Kernstück von Wechselleistungsmesseinrichtungen und Netzqualitätsmessgeräten, da sie die Signale von Transduktoren in digitale Werte für eine spätere Analyse umwandeln. Das Gerät nutzt ein von der PTB zum Patent angemeldetes Verfahren zur Selbstsynchronisation und kann Spannung, Wechselleistung und Spannungsverhältnisse messen. Eine spezielle Software erlaubt die Messung kurzer Spannungsschwankungen (Flicker, nach IEC ), sodass das System auch als Referenz-Flickermeter verwendet werden kann. Die Arbeiten zur Messung von Verlusten beim Transport elektrischer Energie konzentrieren Bild 7: Vielseitig verwendbares dreiphasiges Abtastsystem. Das Messgerät ermöglicht Messungen von Spannungen und der elektrischen Leistung mit Messunsicherheiten von einigen mv/v, mrad oder mw/va bei Netzfrequenzen. 60

7 sich auf die Gleichstrom-Energiemesstechnik. Dieses Gebiet wird im Rahmen eines EMRP- Projektes bearbeitet, das zum Ziel hat, die metrologische Infrastruktur für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) zu schaffen. Das HGÜ-Verfahren erlaubt es, elektrische Energie mit geringen Verlusten über große Distanzen zu transportieren und so z. B. Off-Shore-Windkraftanlagen in das Versorgungsnetz einzubinden. Die PTB entwickelt im Rahmen des Projekts ein Primärnormal für den Wirkungsgrad der Konverter, die das Gleichstrom- an das Wechselstromnetz anbinden. Auch die Arbeiten zur Abrechnungsmesstechnik konzentrieren sich auf die Gleichstrom-Energiemesstechnik. Metrologie für magnetische Nanostrukturen Bild 8: Eine magnetische Tunnelstruktur besteht aus zwei magnetischen Schichten (rot, blau), die durch eine nur etwa einen Nanometer dünne Isolationsschicht (grau), die sogenannte Tunnelbarriere, getrennt sind. Erzeugt man eine Temperaturdifferenz ΔT über die Barriere, so fällt zwischen der heißen (rot) und der kalten (blau) Schicht eine Thermospannung V Th ab. Ändert man die magnetische Ausrichtung der heißen Schicht gegenüber der Ausrichtung der kalten (Pfeile), führt das zu einer starken Änderung der gemessenen Thermospannung. Die Arbeiten im Gebiet Nanomagnetismus fokussieren sich auf die Entwicklung und Rückführung von dynamischen Messverfahren für die Kenngrößen nanomagnetischer Strukturen. Hier lag bereits in der Vergangenheit der Schwerpunkt der Aktivitäten. Zur Schärfung des Profils des Arbeitsgebiets soll in Zukunft ausschließlich das Gebiet der Magnetisierungsdynamik bearbeitet werden. In diesem Teilgebiet wurde im Berichtsjahr die Messtechnik für die Untersuchung thermischer Effekte in nanomagnetischen Tunnelstrukturen entwickelt. Derartige Tunnelstrukturen bilden das Herzstück nichtflüchtiger magnetischer Speicherchips (MRAM, magnetic random access memory). Experimentell konnte erstmals gezeigt werden, dass die Thermospannung, getrieben von einem Temperaturgradienten über die Tunnelstruktur, stark von der Orientierung der Magnetisierung der beiden Schichten der Tunnelstruktur abhängt (Bild 8). Durch Schalten der Magnetisierung kann also die Thermospannung und letztendlich auch der thermische Strom durch die Tunnelstruktur kontrolliert werden. Diese Arbeiten leisten einen bedeutenden Beitrag zu dem neuen Forschungsgebiet Spinkalorik, das sich mit thermischen Effekten in der Spinelektronik beschäftigt. Eine wichtige Anwendung magnetischer Nanostrukturen ist die Sensorik. Magnetische Sensoren kommen in der Medizintechnik, in der Automobilindustrie und in der Informationstechnologie zum Einsatz. So werden z. B. in heutigen Automobilen im Durchschnitt acht bis zehn magnetische Sensoren verbaut. Die immer höheren Anforderungen an neue Sensorgenerationen in Bezug auf Empfindlichkeit, Signal-Rauschverhältnis und Bandbreite erfordern immer bessere Messtechniken, um diese Sensoren auch in Zukunft zuverlässig charakterisieren zu können. Die Entwicklung neuer und zuverlässiger Messtechniken für magnetische Sensoren ist das Ziel eines im Berichtsjahr begonnenen EMRP Forschungsprojekts, das von der PTB geleitet wird. Hochfrequenz- und Terahertz-Metrologie Die Erweiterung der Messmöglichkeiten zu höheren Frequenzen ist das Ziel im Schwerpunktgebiet Hochfrequenz- und Terahertz-Metrologie. In diesem Gebiet wird sich die PTB in Zukunft auf Messtechnik für Freiraumstrahlung sowie auf die Messtechnik für Koaxial- und Hohlleiter konzentrieren. Im Berichtsjahr ist bei der Bestimmung der Frequenz von Freiraumstrahlung ein Durchbruch gelungen. Mit Hilfe optoelektronischer Methoden und unter Nutzung des Frequenzkamms eines unstabilisierten Femtosekundenlasers und des aus der optischen Frequenzmessung bekannten Transferoszillator-Konzepts konnte die Frequenz von 100-GHz-Strahlung mit einer Unsicherheit von bestimmt werden. Dies ist eine Verbesserung von zwei Größenordnungen gegenüber dem bisherigen Stand der Technik. 61

8 Bild 9: Hohlleiterkalorimeter für den Frequenzbereich 75 GHz 110 GHz Um die Rückführungsmöglichkeiten für akkreditierte Kalibrierlaboratorien im Bereich der Hochfrequenzleistung auszubauen, wurde ein Hohlleitermikrokalorimeter für den Frequenzbereich 75 GHz 110 GHz aufgebaut und in Betrieb genommen. Damit erweitert die PTB ihr Leistungsangebot im Bereich der Kalibrierung von Hochfrequenzleistungssensoren (Bild 9). Im Bereich der Dosimetrie nichtionisierender Strahlung sind zwei Projekte erfolgreich abgeschlossen worden. Im imera-plus-projekt Traceable measurement of field strength and SAR for the Physical Agents Directive wurden, koordiniert durch die PTB, messtechnische Lösungen für die Bestimmung der elektrischen Feldstärke und der spezifischen Absorptionsrate (SAR) bei Frequenzen erarbeitet, bei denen bisher die Rückführung auf die Einheiten des internationalen Einheitensystems nicht möglich war (Bild 10). Dadurch wird die im Bereich des Arbeitsschutzes geltende EU-Direktive EC 2004/40/EC Physical Agents Directive messtechnisch unterlegt. Weiterhin wurde das vom Bundesamt für Strahlenschutz geförderte dreijährige Projekt Gentoxische Effekte von Terahertz-Strahlung in vitro? erfolgreich abgeschlossen. In dem interdisziplinären Vorhaben, in dem Hautzelllinien Terahertz-Strahlung ausgesetzt wurden, wurden keine gentoxischen Effekte gefunden. Bild 10: Aufbau zur Kalibrierung einer Sonde für die spezifische Absorptionsrate in einem mit bekanntem Dielektrikum gefüllten Hohlleiter für den Frequenzbereich zwischen 6 GHz und 10 GHz. 62

9 In Schlagzeilen: Nachrichten aus der Abteilung (ausführlich im Web-Jahresbericht unter Grundlagen der Metrologie Hybride Supraleiter-Normalleiter-Einzelelektronenfallen mit extrem langen Haltezeiten Die Einzelelektronen-Haltezeiten einer hybriden Speicherzelle ( two-junction trap ) konnten durch gezielte Unterdrückung des Einzelphotonen-Emissionsrauschens ihrer unmittelbaren elektromagnetischen Umgebung um mehrere Größenordnungen verlängert werden. Dank eines elektrostatisch doppeltgeschirmten Probenraums im Messkryostaten des finnischen metrologischen Instituts MIKES stieg die Haltezeit einer Speicherzelle von ursprünglich 20 s um drei Größenordnungen auf ca. 10 Stunden an. Auch in einer Standard- Messeinrichtung gelang es, durch On-Chip- Integration der Speicherzelle mit einer RC-Filterung und einer Abschirmung der koplanaren Grundplatte die Haltezeiten auf bis zu 40 Minuten zu erhöhen. (S. Lotkhov, FB 2.4, sergey. lotkhov@ptb.de) Einzelelektronenpumpen mit SET-Fehlerdetektoren: Herstellung und erste Messungen Zur Detektion von Pumpfehlern wurden Serienschaltungen von Einzelelektronenpumpen zusammen mit Einzelelektronen-Transistoren auf einem Chip integriert. (R. Dolata, FB 2.4, ralf.dolata@ptb.de) Durchstimmbare Sub-THz-Oszillatoren basierend auf Serienschaltungen von Nb- Nb x -Nb-Josephsonkontakten In Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich und dem Institut für Mikrostrukturphysik RAS in Nizhny Novgorod, Russland gelang die Herstellung von Josephson-Oszillatoren mit einer bei Zimmertemperatur verfügbaren Leistung von bis zu 7 µw im Frequenzbereich von 0,15 THz bis 0,25 THz. (F. Müller, FB 2.4, franz.mueller@ptb.de) Nano-SQUIDs mit SNS-Josephson-Kontakten kleiner als 100 nm In einer Kooperation mit der Universität Tübingen wurden verschiedene Nano-SQUID-Schaltungen hergestellt und erfolgreich eingesetzt. Durch Weiterentwicklung der Technologie konnten SQUID-Designs weiter miniaturisiert werden, wobei Josephson-Kontakte mit Abmessungen kleiner als 100 nm realisiert wurden. (O. Kieler, FB 2.4, oliver.kieler@ptb.de) Josephson-Kontakte mit Nb x -Barrieren ermöglichen höhere Ausgangsspannungen von pulsgetriebenen AC-Spannungsnormalen Die Ausgangspannung von Spannungsnormalen aus pulsgetriebenen AC-Josephson- Schaltungen konnte durch den Einsatz von Josephson-Kontakten mit Nb x -Barrieren erhöht werden, wodurch ein Betrieb bei höheren Pulsfolgefrequenzen ermöglicht wird. (O. Kieler, FB 2.4, oliver.kieler@ptb.de) Untersuchung von supraleitenden On-Chip- Nb-Resonatoren mit Koppelkapazitäten im Mikrowellenbereich Für den Frequenzbereich 2 GHz 6 GHz wurden verschiedene On-Chip-Mikrowellenkomponenten entwickelt und hergestellt, darunter supraleitende Koplanar-Wellenleiter- Resonatoren und LC-Resonatoren hoher Güte. Die Integration von Josephsonkontakten oder SQUDs in diese supraleitenden Resonatoren soll die Messung von kleinsten Signalen mit hoher Empfindlichkeit ermöglichen. (M. Khabipov, FB 2.4, marat.khabipov@ptb.de) Nb x -Josephson-Kontakte für programmierbare 10-V-Spannungsnormale Zur Herstellung optimierter programmierbarer 10-V-Spannungsnormalschaltungen für den Einsatz bei 70 GHz werden in der PTB SNS-Josephson-Kontakte mit Nb x -Barrieren eingesetzt. (J. Kohlmann, FB 2.4, johannes. kohlmann@ptb.de) Einzel-Cooper-Paar-Transistor auf Basis supraleitender Nanodrähte Aus einer amorphen NbSi-Schicht wurde eine Transistor-Nanodrahtstruktur hergestellt, die aus einer Insel zwischen zwei schmalen Bereichen und einer daran kapazitiv angekoppelten Gateelektrode besteht. Im Experiment zeigte die Struktur die erwartete periodische Abhängigkeit der IU-Kennlinie von der Gatespannung. (A. Zorin, FB 2.4, alexander.zorin@ ptb.de) 63

10 Ladungsträgeroszillationen in GaAs-Quantenfilmen Durch Anregung von GaAs-Quantenfilmen mit Femtosekunden-Laserimpulsen wurden ultraschnelle Oszillationen von Ladungsträgern in der Ebene der Quantenfilme induziert. Diese Oszillationen, die ohne das Anlegen eines äußeren Feldes auftreten, zeigen, dass der Übergang von leichten zu schweren Löchern in GaAs-Quantenfilmen zur Emission von THz- Strahlung genutzt werden kann. (M. Bieler, FB 2.5, Hochpräzise Frequenzmessungen im THz- Spektralbereich Durch Konvertierung eines optischen Frequenzkamms in den THz-Bereich wurde eine Technik zur hochpräzisen, rückführbaren Messung von THz-Frequenzen demonstriert. (H. Füser, FB 2.5, Magnetischer Nanoschalter für Thermospannungen Ein neu entdeckter Effekt in magnetischen Tunnelstrukturen erlaubt die Kontrolle von Thermospannungen in nanoelektronischen Schaltungen. (H.W. Schumacher, FB 2.5, Halbleiter-Quanten-Spannungsquelle In der PTB konnte erstmals mit einer integrierten Halbleiterschaltung eine quantisierte Spannung erzeugt werden. Dies gelang durch Verbindung einer Einzelelektronenpumpe und eines Quanten-Hall-Widerstandes auf einem Halbleiterchip. Bislang konnten solche quantisierten Spannungen nur mittels supraleitender Schaltungen erzeugt werden. (F. Hohls, FB 2.5, Kontrolle einzelner Elektronen bei höchsten Magnetfeldern ein neues Werkzeug für die Forschung Eine halbleiterbasierte Einzelladungspumpe ermöglicht die kontrollierte Emission einzelner Elektronen und Löcher in ein zweidimensionales Elektronensystem auch noch bei höchsten Magnetfeldern von 30 Tesla. Dies erlaubt die gezielte Erzeugung von Anregungen in ganzzahligen und insbesondere auch fraktionalen Quanten-Hall-Systemen. (F. Hohls, FB 2.5, Serienschaltungen von Halbleiter-Einzelelektronenpumpen Stabilisierung durch Rückkopplung Die Serienschaltung von Halbleiter-Einzelelektronenpumpen mit integrierter Ladungsdetektion stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem zukünftigen Quanten-Stromstandard dar. Dabei auftretende Rückkopplungseffekte können zudem die Stabilität der Einzelelektronenpumpen verbessern. (F. Hohls, FB 2.5, Superdomänen in ferromagnetischen Schichten mit Lochgittern Durch Strukturierung ferromagnetischer Filme mit periodischen Lochgittern auf Nanometerskala lassen sich die Eigenschaften der Filme gezielt verändern. In systematischen Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften solcher Lochgitter konnte nun erstmals ein neuartiger Typ magnetischer Domänenübergänge, die sogenannten Superdomänenwände, nachgewiesen und untersucht werden. (S. Sievers, FB 2.5, Erster Durchlauf des Electron Counting Capacitance Standard -Experiments in der PTB gelungen Das Electron Counting Capacitance Standard (ECCS)-Experiment ermöglicht die Durchführung eines fundamentalen Konsistenztests zwischen den in der elektrischen Metrologie eingesetzten Quanteneffekten, dem Josephson- und dem Quanten-Hall-Effekt. In der PTB ist die Durchführung dieses Experiments nun erstmalig gelungen. Die in diesen, noch vorläufigen, Testdurchläufen bereits erzielte geringe relative Unsicherheit von weniger als ist sehr vielversprechend im Hinblick auf weitere Verbesserungen des Experiments, die in der PTB zurzeit vorangetrieben werden. Nach Umsetzung dieser Optimierung soll das Experiment mit einer um eine weitere Größenordnung verbesserten Unsicherheit durchgeführt und damit erfolgreich abgeschlossen werden. (H. Scherer, FB 2.6, hansjoerg.scherer@ptb.de) Quantenbasierte Impedanzmessbrücken ermöglichen breitbandige Kalibrierung von Impedanzverhältnissen Eine neu entwickelte Messbrücke, bei der programmierbare Josephson-Schaltungen eingesetzt werden, erlaubt die breitbandige Charakterisierung von Widerstands- und Kapazitätsverhältnissen mit hoher Präzision in- 64

11 nerhalb einer kurzen Messzeit. (L. Palafox, FB 2.6, Elektrische Eigenschaften von Graphen auf Galliumarsenid Nach der erfolgreichen Präparation der ungewöhnlichen Materialkombination Graphen auf Galliumarsenid wurden, als Voraussetzung für mögliche weitere Anwendungen, erstmals auch die elektrischen Transporteigenschaften solcher Proben untersucht. (M. Woszczyna, FB 2.6, Graphen-p-n-Reihenschaltungen als quantisierte Widerstandsnormale Es wurde ein Konzept für ein Quanten-Hall- Effekt-Bauelement demonstriert, bei dem die besondere Eigenschaft des Materials Graphen ausgenutzt wird, elektrischen Transport mit positiven und negativen Ladungsträgern zu ermöglichen. In Reihenschaltungen kann man damit quantisierte Hall-Widerstände als ganzzahlige Vielfache von h/2e² realisieren. (M. Woszcznya, FB 2.6, Metrologie für die Wirtschaft Breitbandige On-Wafer-Kalibriernormale in CMOS-kompatibler Membrantechnologie In Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrotechnologie der TU Braunschweig wurde ein reflexionsarmer Übergang von hochleitfähigem Silizium zu einem in Membrantechnologie gefertigten koplanaren Wellenleiter entwickelt, gefertigt und messtechnisch bis 110 GHz charakterisiert. Die Leitungsstruktur kann als Kalibriernormal für On-Wafer-Streuparametermessungen mit höchster Präzision eingesetzt werden. (U. Arz, FB 2.2, Simulation parasitärer Moden in On-Wafer- Kalibriersubstraten gelungen In Zusammenarbeit mit dem Ferdinand- Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik in Berlin und dem NIST, dem nationalen metrologischen Institut der USA, in Boulder, Colorado, ist erstmals die numerische Simulation unerwünschter Moden in kommerziellen On- Wafer-Kalibriersubstraten gelungen. Die Verifikation der Simulationsergebnisse erfolgte mit Streuparametermessungen im Frequenzbereich 1 GHz bis 110 GHz. (U. Arz, FB 2.2, uwe. arz@ptb.de) Elektromagnetische Charakterisierung von Materialien für Industrieanwendungen bis in den Mikrowellenbereich Im Rahmen des europäischen Forschungsprogramm EMRP ist im Juli 2011 das Projekt EMINDA (Electromagnetic Characterisation of Materials for Industrial Applications up to Microwave Frequencies) erfolgreich gestartet. Ziel des Projektes ist es, unterschiedliche Methoden für die Charakterisierung von Materialien im Hochfrequenzbereich zu entwickeln und für die Industrie ein entsprechendes Kalibrierangebot zu schaffen. (U. Arz, FB 2.2, uwe. arz@ptb.de) Hochfrequenz-Leistungskalibrierung im Frequenzbereich 75 GHz bis 110 GHz Mit dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines Hohlleitermikrokalorimeters für den Frequenzbereich 75 GHz 110 GHz erweitert die PTB ihr Leistungsangebot im Bereich der Kalibrierung von Hochfrequenzleistungssensoren. (Rolf Judaschke, FB 2.2, rolf.judaschke@ptb.de) Forschungsprojekt Ultrafast Electronics and High Speed Communications (Ultrafast) gestartet Im Juli 2011 ist der Startschuss für das EMRP- Forschungsprojekt Ultrafast Electronics and High Speed Communications (Ultrafast) gefallen, in dem die PTB zusammen mit sechs weiteren nationalen metrologischen Instituten und weiteren Partnern an neuen Messverfahren für Signale und Komponenten arbeitet, die bei der Übertragung sehr hoher Datenraten verwendet werden. (M. Bieler, T.Kleine-Ostmann, FB 2.5, 2.2, mark.bieler@ptb.de, thomas. kleine-ostmann@ptb.de) Messtechnik für magnetische Sensoren In einem von der PTB koordinierten europäischen Forschungsprojekt wird Messtechnik für magnetische Sensoren entwickelt. (H.W. Schumacher, FB 2.5, hans.w.schumacher@ptb.de) Das MNPQ-Projekt AC-Quantenvoltmeter Im Rahmen des MNPQ-Programms des BMWi wurde in der PTB ein Technologietransferprojekt zur Etablierung von quantenbasierten Wechselspannungsnormalen in der Industrie gestartet. (R. Behr, FB 2.6, ralf.behr@ptb.de) 65

12 Technologietransfer von Messwerterfassungssoftware Im Rahmen des MNPQ-Programms des BMWi soll ein in der PTB entwickeltes modulares Messwert-Erfassungsprogramm in ein kommerzielles Softwareprodukt integriert werden. (F. J. Ahlers, FB 2.6, Metrologie für die Gesellschaft Optimaler Wirkungsgrad ergibt nicht immer den maximalen Nutzen Im Rahmen des EMRP-Projektes Energy Harvesting wurden erste Untersuchungen an piezoelektrischen Mikrogeneratoren durchgeführt. Die Analyse der Messergebnisse hat gezeigt, dass solche Generatoren am Betriebspunkt des optimalen Wirkungsgrades nicht die maximal mögliche Ausgangsleistung erzeugen. (B. Schumacher, FB 2.1, Kooperation mit dem Deutschen Amateur- Radio-Club e. V. (DARC) Im Rahmen einer Kooperation mit dem DARC wurde eine symmetrische Streifenleitung für den Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 30 MHz entwickelt, die als Gebrauchsnormal für die Kalibrierung von Feldsonden dienen kann und mit der die einfache und schnelle Kalibrierung von Feldsonden für den DARC mit geringer Messunsicherheit möglich ist. (T. Kleine-Ostmann, FB 2.2, thomas.kleine-ostmann@ ptb.de) EMRP-Forschungsprojekt Traceable measurement of field strength and SAR for the Physical Agents Directive (EMF and SAR) abgeschlossen Nach dreijähriger Projektlaufzeit konnte das Projekt EMF and SAR, in dem sieben europäische nationale metrologische Institute zusammen an der Entwicklung rückgeführter Messtechnik für elektromagnetische Felder im Frequenzbereich bis 300 GHz gearbeitet haben, erfolgreich abgeschlossen werden. (T. Kleine- Ostmann, FB 2.2, thomas.kleine-ostmann@ptb. de) Projekt zur Feldexposition von Hautzellen im Terahertz-Frequenzbereich abgeschlossen Das vom Bundesamt für Strahlenschutz geförderte Projekt Gentoxische Effekte von Terahertz-Strahlung in vitro? wurde nach drei Jahren Projektlaufzeit und einer dreimonatigen Projektverlängerung zur Durchführung weiterer Untersuchungen erfolgreich abgeschlossen. In dem interdisziplinären Vorhaben, in dem Hautzelllinien Terahertz-Strahlung ausgesetzt wurden, konnten keine gentoxischen Effekte festgestellt werden. (T. Kleine-Ostmann, FB 2.2, thomas.kleine-ostmann@ptb.de) Messtechnik zur Bestimmung von Wirkungsgraden an HGÜ-Umrichtern Im Rahmen eines von der EU geförderten Gemeinschaftsprojekts, an dem mehrere europäische metrologische Institute und Universitäten beteiligt sind, befasst sich die TU Braunschweig gemeinsam mit der PTB mit Umrichtertechnik hier insbesondere mit dem Aufbau einer auf nationale Normale rückführbaren Messmöglichkeit zur Bestimmung der integralen Verluste an Umrichtern. Hintergrund ist die im europäischen Raum zunehmende Anwendung der über große Distanzen im Vergleich zur Wechselspannungsübertragung verlustärmeren Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) elektrischer Energie. (E. Mohns, FB 2.3, enrico.mohns@ptb.de) Elektroimpulsgeräte (EIG), Waffen für den freien Handel Der Gesetzgeber fordert seit dem 1. Januar 2011 für das Inverkehrbringen von Elektroimpulsgeräten (im allgemeinen Sprachgebrauch auch Elektroschocker genannt) ein offizielles Prüfzeichen, welches durch die Physikalisch- Technische Bundesanstalt vergeben wird. (H. Seifert, FB 2.3, helmut.seifert@ptb.de) HGÜ-Gleichstrommesstechnik Ein Prüfplatz für DC-fähige Stromwandler wurde aufgebaut und auf die Normale der PTB zurückgeführt. (J. Meisner, FB 2.3, johann. meissner@ptb.de) Dreiphasiges Leistungsnormal Die Rekalibrierung der dreiphasigen Arbeitsnormale für Leistung wird mit Hilfe eines neu entwickelten Leistungsnormals bedeutend erleichtert. Basierend auf zwei kaskadierten Direct-Digital-Synthesizern (DDS) ermöglicht das Messsystem quasi-synchrones Abtasten ohne Hardwaremodifikationen von Leistungsquelle und Abtastvoltmeter. (K. Dauke, FB 2.3, kristian.dauke@ptb.de) 66

13 Digital-Abtastsystem hoher Linearität für Wechselleistungsmesstechnik und Netzqualitätsmessungen Für die Wechselleistungsmesstechnik und Netzqualitätsmessungen wurde ein Digitalisierer höchster Abtastgenauigkeit entwickelt. Das kompakte und mehrkanalige Abtastsystem weist integrale Nichtlinearitäten von einigen mv/v bei Abtastraten bis zu 128 khz auf und wird die Messmöglichkeiten der PTB im Bereich der Wechselleistung- und Netzqualitäts- Messungen erweitern. Die damit erreichbaren Messunsicherheiten bei Netzfrequenzen sind mit denen des primären PTB Wechselleistung- Abtastnormals vergleichbar. (G. Kürten Ihlenfeld, FB 2.3, Simulation von Bombenblindgängern für die Kampfmittelortung Wie Schlagzeilen in der Presse immer wieder belegen, ist die Ortung von Bomben-Blindgängern aus dem zweiten Weltkrieg auch heute noch ein Problem. Im Rahmen einer Kooperation zwischen der Arbeitsgruppe Magnetische Messtechnik der PTB und der Firma Sensys GmbH, Bad Saarow, wird an neuen Testverfahren gearbeitet, mit denen Sonden für die Suche nach diesen Blindgängern überprüft und zugelassen werden können. (R. Hiergeist, FB 2.5, Internationale Angelegenheiten Informationsveranstaltung zum erfolgreichen Abschluss der Auftaktrunde des europäischen Metrologie-Forschungsprogramms Im Mai 2011 wurden der Fachöffentlichkeit auf einer Informationsveranstaltung die Ergebnisse von 4 Forschungsprojekten zu Themen der elektrischen Quantenmetrologie präsentiert. Die Projekte wurden, unterstützt durch die EU, in der IMERA-plus-Phase des europäischen Metrologie-Forschungsprogramms EMRP (European Metrology Research Programme) durchgeführt und sind im Jahr 2011 erfolgreich abgeschlossen worden. (F.J.Ahlers, FB 2.6, franz-josef.ahlers@ptb.de) 67

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